微藻生物膜培养装置的研究进展

王阳

1 绪论     微藻生长速度快且含有丰富的营养物质，可作为各类高附加值生物产品(如生物柴油、生物饲料等)的原料，因此其工业化培养越来越受到人们重视。悬浮培养是目前应用最广泛的微藻培养方式，其代表性装置为开放跑道池和各种密闭的光反应器。RWP操作方便，结构简单，运营和投资的成本低，是微藻商业化生产的主要设施。但RWP存在许多不足，例如生物量生产率低;水分蒸发严重;极易受到污染等。针对RWP的缺点，研究者开发出了各种PBR，根据形状可分为管状光生物反应器、平板光生物反应器和箔状光生物反应器。  PBR对养分、光照和温度等参数的有效控制显著提高了微藻的生产效率;封闭的空间避免了外界环境对微藻培养液的污染和水分的大量蒸发。但PBRs过高的表面积体积比导致了反应器内严重的光抑制和氧气积聚;技术的复杂性又导致建设和运营成本高昂。由于缺乏高效、低成本的大规模种植技术，目前以微藻为原料生产各类产品并不具备经济可行性。 近年来，一种新的微藻培养模式一一生物膜培养引起了人们的极大兴趣。在这种培养模式中，微藻细胞附着在固体基质表面以生物膜的形式生长，培养装置运行稳定性高且需水量低，在微藻生物膜生长成熟后，可直接通过机械手段刮取藻细胞，操作简单，技术难度低，可使采收成本大幅度降低。本文分类介绍了目前常见的微藻生物膜培养装置，总结了其在微藻培养及污水处理领域的优势，并对其未来的发展方向进行了讨论。 2藻类生物膜培养装置 微藻生物膜培养装置是微藻生物膜技术由理论研究迈向工业化生产所需的条件。为了使微藻生物膜培养装置的性能达到工业化生产的要求，研究者设计了各种类型的反应器。目前常见的藻类附着培养装置有藻萍净水系统 ATS、旋转光生物反应器 RAB、多孔介质光生物反应器 以及附着-悬浮光生物反应器。 2.1,藻萍净水系统                   image.png                                      图1:藻萍净水系统                                                        ATS装置是最早出现的微藻生物膜培养装置，这种满液式的连续流反应器结构简单，运行稳定，利用水泵驱动培养液在生物膜表面流过，借助水流的扰动打破气液界面的扩散边界层，增加CO2和养分的传输效率。但是流经生物膜表面的水层也会导致光的散射，降低了光能利用率。 ATS在污水厂出水深度处理，养殖废水处理及农业用水处理等方面应用都十分广泛。 2.2、旋转光生物反应器 image.png 图2:旋转光生物反应器                                                     根据旋转生物接触器的原理，研究者设计了如图2所示的旋转藻盘光生物反应器。通过电机带动圆盘旋转，使藻细胞周期性地与培养液和空气接触，当藻细胞浸入培养液时，吸收营养基内的营养物质;当藻细胞进入空气时，直接从空气中吸收二氧化碳和光能。这种培养方式提高了微藻在载体上的牢固性，更有利于微藻生物质的积累。 基于Algadisk的原理，研究者开发了中试规模的旋转光生物反应器，并将其与污水处理联合，利用污水中的氮、磷等元素作为营养物来源，不但降低培养成本，也能对污水进行净化。Logan等人发明了旋转筒式藻类生物膜反应器，利用缠绕了绳索的滚筒状不锈钢框架代替了旋转藻盘光生物反应器中的圆形转盘，微藻细胞附着在绳索上生长。当生物膜达到一定厚度后利用配套的收割装置挤压绳子收获藻类生物量，一定程度上实现了微藻生物膜的机械化收获。 Wen等人开发出了一种旋转辊轴藻类生物膜反应器，将载体材料缠绕到两个辊轴上，通过辊轴的转动带动载体转动。 2.3、多孔介质光生物反应器 image.png 图3:多孔介质光生物反应器                                               PSBR反应器(图3-a最初被用作藻类生物传感器，但后来被广泛应用于微藻培养。PSBR反应器由多个竖直单元平行排列组成，每个单元由微藻附着层和多孔介质营养供给层构成。培养液在泵的驱动下在多孔介质层内循环，在毛细力和重力的作用下扩散到微藻附着层，微藻源源不断的获得营养物质进行生长。PSBR反应器的优势在于， 1）通过各单元的竖直布置解决了培养系统占地面积的问题，大大提高了单位土地面积上微藻生物质的生产力;   2）微藻生物膜直接暴露在空气中，更有利于CO2和光照的传递，还可以根据光照强度调节各垂直单元之间的距离，避免光限制或光抑制现象;   3）微藻生物膜不直接和培养液接触，完全避免了水流对生物膜的冲刷作用 。 目前大部分的PSBR装置营养基的循环通过泵驱动，这是除了微藻收获外最大的能源消耗工序。研究者依据植物的蒸腾作用开发了一种新型的PSBR装置图3-b，利用蒸腾力和毛细力驱动营养物质在多孔介质层的传输，在能源节约方面有重大意义。然而，目前这种类型的PSBR反应器并不是十分完善，存在着由于营养物质传输不足导致微藻生物量生产力低下的问题。 2.4 附着一层悬浮光生物反应器     根据活性污泥法中流化床和固定床的原理，一些研究者通过额外投加载体的方式对藻类悬浮培养装置进行了强化，得到了一些悬浮与附着相结合的光生物反应器。Zhang等将珊瑚绒材料作为载体强化跑道池处理生活污水，COD,  TN,  TP的去除率分别可达86.61%,  73.68%,  89.85%，最高生物质生产力可达8.1 g·m-2·d。 Zhuang等将亚麻载体投加到PBR反应器中，发现载体的加入使微藻生物量最大增加30% 。 适量的载体的加入并不会对反应器中悬浮生长的藻类产生光抑制，研究表明附着一悬浮光生物反应器中悬浮生长的藻类生物量生产力与单纯的悬浮培养体系差距不大，因此附着在载体上的藻类生物量可以看作微藻生物量的增量。除此之外，随着载体的加入，曝气产生的气泡在反应器中的停留时间大大增加，提高了二氧化碳的利用效率，这也是附着一悬浮光生物反应器生物量产率提高的原因之一。 3、微藻生物膜培养装置的优势 微藻生物膜培养装置的可以有效避免悬浮培养装置中诸如CO2传质效率低，光和水利用效率低，藻细胞收获困难等一系列问题。 3.1 CO2传质效率高 在悬浮培养装置中，液体培养基将微藻细胞与周围的气相分离，必须克服气液界面才能进入培养液中被藻类细胞利用。由于较低的传质效率，悬浮培养装置中培养液CO2浓度对微藻细胞的生长有显著影响。目前大多通过曝气或搅拌的方式为微藻生长提供充足的无机碳源，但这样做不仅会增加生产成本，强搅拌或曝气带来的水流剪切力也会干扰微藻的生长。微藻生物膜培养装置中藻细胞可以长期或间歇性的暴露在空气中直接接触气态CO2，扩散路径短，传质效率高，有效解决了CO2供应问题。研究发现在没有CO2供应装置的微藻生物膜培养装置中微藻依旧可以快速生长。这可能是微藻生物膜中CO2传质效率高，即使在较低的CO2浓度水平下，微藻仍能从气相吸收足够的CO2作为碳源。 3.2、光照利用效率高 在悬浮培养装置中，约10%的总入射可见辐射光因为反射在水-空气表面消散，光照利用效率不高。在微藻生物膜培养装置中，藻细胞长期或间歇性暴露在空气中，这部分光损失可以被微藻有效捕获用于光合作用。其次，由于光照直接作用于藻细胞，悬浮培养中普遍存在的光穿透问题也在微藻生物膜培养装置中得到了很大的缓解。 3.3、水的利用效率高     对微藻工业化生产来说，巨大的用水量是一个难以承受的负担。相关研究表明在悬浮培养装置中生产1吨微藻要消耗200吨的水。但在微藻生物膜培养装置中，仅需少量培养基流经生物膜表面即可维持微藻正常生长，这为大幅度降低藻类培养的需水量提供了可能。 Ozkan等研究发现使用附着培养装置生产1kg的微藻需要约1600 L的水，与开放池塘相比减少了45%。  Gross等在能量平衡分析的基础上，建立了RAB系统蒸发失水模型，并进行了实验验证，虽然RAB的蒸发损失较高，但每单位生物量的耗水量仅为跑道池的26%。 3.4、土地利用率高     相比于悬浮培养装置，微藻生物膜培养装置独特的几何结构会大幅度提高土地利用率。在悬浮培养装置中，因为光的穿透限制，水的深度有限，垂直方向的空间难以有效利用。微藻生物膜培养装置多采用平行竖直布置，单位土地面积上的生物培养面积远超过悬浮培养装置，显著提高了土地的空间利用效率。这意味着在相同面积的土地上微藻生物膜培养装置拥有更高的生物量生产力和废水处理能力。Liu等研究发现以生物膜形式培养的微藻单位面积生产力能达到50-80 g·m-·d，是生物量生产力是悬浮培养的4-7倍，这在土地紧张的地区意义重大。 藻类被广泛认为可以有效去除生活污水中的营养物质，然而城市有限且昂贵的土地限制了藻类悬浮培养装置在污水处理中的应用。微藻生物膜培养装置较高的土地利用效率为藻类在污水处理领域的实际应用提供了可能。 3.5、微藻收集方便     悬浮培养装置中藻细胞密度非常低，RWP中藻类细胞浓度仅为0.5 g/L(藻类干重0.05%或含水量99.95%)。  PBRs中约为2-6 g/L(藻类干重0.2- 0.6%或含水量99.4%一99.8%)。此外藻细胞密度与水相近，尺寸仅微米大小(2-30 μ m) 。这导致从悬浮培养系统中收获藻类是一件非常困难的事情。目前常用的絮凝沉降-离心工艺需消耗大量的能量和时间才能收获藻类’。最近一项关于微藻生产生物燃料的技术经济研究报告表明，从悬浮培养基中收获藻细胞的花费占总成本的20%。除此之外，有研究表明化学絮凝剂的大量使用还会对藻细胞和环境造成破坏。     为了降低成本，研究者又开发了基于藻类一细菌、藻类一真菌或藻类一藻类相互作用的生物絮凝技术。这种方法可以高效且节能的捕获悬浮藻细胞，而且一般不会造成二次污染。但生物絮凝同样存在不足之处，如果使用细菌或真菌促进藻类絮凝，在收获的藻类中往往会含有一定数量的细菌或真菌，目前的技术水平无法将细菌或真菌和藻类有效分离，收获的藻类仅能用来生产生物燃料，无法用来生产各种高附加值的生物产品。藻类一藻类生物絮凝不需要对收获的藻细胞进行分离处理，但具有自絮凝能力的微藻种类和数量并不是很多，往往需要对非絮凝藻株进行基因工程改造，这又对生态安全造成了潜在威胁。     在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在材料表面以生物膜的形式生长，天然地与培养基分离，可以通过机械刮取的方式收获，不需要离心等高能耗过程。研究表明刮取收获的生物质中藻细胞含量约为10%-20%，与悬浮培养絮凝一离心步骤处理后的藻液浓度相近，完全可以满足下游处理的需要4、微藻生物膜培养装置在水处理领域的应用     Pittman等人回顾了藻类生物燃料生产的潜力，认为基于目前的技术，不使用废水的藻类养殖不具有经济可行性。   Lundquist等人分析了藻类废水处理与生物燃料生产的几种不同案例，认为只有使用废水作为培养基才能生产具有成本竞争力的生物燃料。因此微藻生物膜技术在水处理领域的应用前景受到人们的广泛关注，相关研究结果表明在水处理领域微藻生物膜技术比悬浮培养更具潜力，具体表现在以下几方面。    1）微藻生物膜培养装置避免了悬浮培养中普遍存在的冲刷问题。微藻基于同化作用吸收废水中的营养物质，因此反应器中微藻生物量是影响废水处理效率的关键因素。废水中氮磷的浓度远低于BG11等培养基中氮磷的浓度，因此需要高供给流量才能维持微藻的生长，但这也会导致严重的冲刷问题，不利于维持反应器中高生物量和出水水质。在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在载体上生长，可以有效地避免冲刷问题，藻类生物量生产力和养分去除效率显著提高     2）微藻生物膜培养装置对污染物的去除效果更强。微藻胞外聚合物为微藻类提供了大量官能团和结合位点，这些官能团及结合位点可以通过静电作用或络合作用与污染物相结合，提高了微藻对污染物具有良好的去除效果。研究表明微藻胞外聚合物含量越高，微藻对污染物的去除效果越强。微藻生物膜系统胞外聚合物的含量远远高于悬浮体系，因此对污染物的去除效果远远超过悬浮藻类。王爱丽等研究了不同生长模式下铜绿微囊藻球对合成污水中污染物的去除，经过5天的处理，生物膜中铜绿微囊藻对合成污水中P的去除率为69.19% ；  N的去除率达到了92.92%，而悬浮生长的铜绿微囊藻的去除效果相对差很多，P和N的去除率分别只达到了26.77%和36.54% 。     微藻生物膜培养装置在处理工业废水时更具优势。黄国兰等研究了蛋白核小球藻对染料深棕NM的去除效果，两天内小球藻生物膜对染料的去除率可达80.5 %，而悬浮小球藻仅为18.5% 。     3)微藻生物膜培养装置耐冲击负荷强。微藻生物膜培养装置中的微藻及其他微生物聚集成群以生物膜的形式生长，在局部构成了稳定的微环境，对pH,温度、浊度、毒性冲击等的抵抗力远远超过悬浮培养装置。即使在极端胁迫下部分微生物消失，其余的微生物仍然能够存活，从而保证了微藻生物膜在极端环境下的生长。此外，微藻生物膜丰富的胞外聚合物也能够缓解极端环境对微藻细胞的破坏。Orandi等研究发现即使在重金属浓度极高的矿山废水中，以蓝细菌和绿藻为主要物种的生物膜依旧能够存活，并且可以有效吸附废水中的重金属     由于设计原理不同，各种微藻生物膜培养装置适用于不同种类的污水，表1详细介绍了微藻生物膜培养装置在水处理领域的表现。 image.png 5、结论与展望     具有良好性能的微藻生物膜培养装置是微藻工业化生产的必备条件，截止到目前为止已经有很多学者进行了相关研究且取得了颇多的成果，但关于微藻生物膜培养装置的研究还存在一定的局限性，有待进一步的研究。 1)在已报道的微藻附着培养装置中，绝大多数仍处于实验室规模，中试规模的系统到目前为止也非常有限，只有ATS系统得到了商业化应用，到目前为止还无法进行可靠的成本分析。在今后的研究中应着眼于将微藻生物膜培养装置应用于工业化规模的生产环境。   2)目前研究中涉及的各种微藻生物膜培养装置在接种和采收时大量使用人工，仅少部分研究对附着培养的机械自动化操作进行了讨论。在未来更大规模的微藻生物膜培养装置中，自动化机械的引入是必然趋势，关于这方面的研究亟待加强。 3)微藻生物膜培养装置中，载体材料的性能对微藻生物膜的微藻的产量和成本决定性作用。具有高表面能的材料(纸、棉制品等)由于良好的附着性能被广泛地应用在各类附着培养装置上，但这些材料耐久性很差，需要进行频繁的更换，不利于藻类商业化生产。未来规模化的附着培养体系中急需一种兼具良好附着性和耐久性的载体材料。

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发布时间: 2021-01-10

埋在海底的微生物在80000年后开始蓬勃发展

王阳

在海底原本充满活力的沙漠中，研究人员发现了可以收集微生物能量的绿洲。值得注意的是，微生物首先必须在饥饿的条件下埋葬80,000年。一个国际研究人员小组，其中包括莱顿大学环境科学研究院(CML)的JoséMogollón，已在PNAS上发表了这一发现。   研究人员研究了格陵兰/挪威海中Scalindua属的微生物。该物种的微生物能够在被埋葬后很长一段时间内重新激活并增加其种群数量超过4个数量级。 代谢活动降至最低 在地球海底面积超过360,000,000 km 2的每一英寸上，都有成千上万的微生物细胞遍布。随着时间的流逝，由于颗粒不断从上方降雨，它们被深埋在沉积物中，成为了深层沉积生物圈的一部分。一旦切断了来自地表世界的粮食供应，能量的深度就会越来越有限，结果，人口将慢慢屈服于恶劣的环境，并随着时间的流逝逐渐减少。在这里，新陈代谢活动被减慢到绝对最小值，几乎没有足够的能量维持基本的细胞。因此，生存成为持久性和毅力的问题，而不是成长。在发表的新研究中然而，PNAS的研究团队描述了一小部分在厌氧条件下通过氧化铵而获得能量的有机体，即厌氧氨氧化镁，是该一般规则的一个例外，并且在不利条件下经过很长一段时间后设法增殖。 80,000年经历地狱 卑尔根大学(挪威)深海研究中心的资深作者Steffen L.Jørgensen说：“这些细胞能够承受的作用确实非常令人惊讶。他继续解释说：“从斯卡林杜阿细胞沉积到海底的那一刻起，它们就发现自己处于恶劣的环境中，条件远非最佳条件。事实上，表面的氧气对它们可能是致命的杀伤力。游离氧抑制了新陈代谢，如果这还不够的话，它们的食物来源(铵和亚硝酸盐)非常稀缺，沉积在海底之后，他们必须在长达80,000年的旅程中度过难关，而缓慢的埋葬是一个地方的便利那是有毒的，基本上没有他们可以使用的任何能源。直到那时，它们才足够深地进入沉积物中，到达能量丰富的区域，其中硝酸铵和硝酸盐的流量会合，即硝酸铵过渡区域(NATZ)。在这里，到达这个深度的几个单元开始增长，人口规模增加。但是，由于该区域本身随时间推移相对于表面保持在固定深度，因此它们在NATZ中的停留时间受到限制，而由于无情的埋葬过程，微生物将被更深地掩埋。从原则上讲，这些细胞已经经历了八万年的艰辛，最终到达一个可以为他们提供适当食物的地方，结果发现自己在开胃菜后被踢出家门。” 异常结果 研究人员的发现是一个很好的例子，说明当被追求时，异常值很容易被拒绝，因为异常值会导致新的见解。主要作者赵瑞(Rui Zhao)描述了他如何观察到教科书知识无法解释的深度细胞丰度的增加。瑞说：“多年来，我们已经收集并分析了许多沉积物核心，我经常看到在含氧区以下的细胞数量意外增加，这使我感到困惑。” 在与莱顿大学的合作者和合著者JoséMogollón一起研究了地球化学背景数据之后，研究小组发现，斯卡林杜瓦的丰度升高与氮的还原和氧化物种相遇的深度处的可利用能源增加相吻合。” 遗传解释 研究人员留下的显而易见的问题之一是，哪些特性使这些微生物能够在非常不利的条件下存活如此长时间。为了进一步研究，他们对这些生物的整个基因组进行了测序，并将其与地表亲戚的基因组含量进行了比较。维也纳大学(奥地利)的研究员索菲·艾比(Sophie Abby)说，他们发现生物体具有特定的基因，可以使它们利用不同的含氮化合物来获取所需的铵盐。内容以及Christa Schleper教授。“此外，他们不可能利用除厌氧氨氧化之外的其他反应来获取能量， 人口动态毕竟不是那么简单 当被问及发现的后果时，赵瑞提到：“这对于我们如何理解深层生物圈中的种群动态具有重要意义，而深层生物圈在很大程度上被认为是不同微生物群在可变时间范围内生存能力的函数。尽管这种情况可能仍然存在，但研究表明，这种观点毕竟可能并不那么简单，而且非常重要的是，这些微生物在调节两种重要营养素以氮素形式通过海底的通量中起着重要作用。以及强大的温室气体CO 2。 ” 他通过提醒我们跟进，高能NATZ并不是特定研究地点所独有的，而是似乎广泛存在于地下，因此在全球范围内具有重要的环境意义。 约根森渴望了解更多关于这些微生物在全球范围内对环境的重要性，他认为这项最新研究是提供此类信息的第一步。他说：“还有很多问题需要解决。” “例如，其他微生物如何从能源和生物量的增加中受益?或者这些微生物对能源格局变化的反应有多快，它们的增长率是多少?此外，我们想进一步研究其他高能区下入沉积物，其中的能量如果您有合适的代谢机器来收集它，也可以使用，这也可能会影响地表和地下世界之间的通量。这些都是我们要研究的方面。”

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发布时间: 2021-01-08

Science：最“安全”基因治疗载体

王阳

长期以来，腺相关病毒载体（AAV）由于具有长期潜伏于人体而不表现出任何明显致病性的优点被公认是目前最理想的基因治疗基因载体。然而，近年来不断有声音提醒，这一看似安全的疗法或许存在着致命的风险。 当地时间12月22日，《Science》发布了一篇题为“Liver tumor in gene therapy recipient raises concerns about virus widely used in treatment”的文章再次印证了这一观点。报道称，荷兰生物制药公司uniQure的一项针对B型血友病的基因疗法被美国FDA叫停，起因是接受治疗后该患者患上了肝细胞癌。 doi：10.1126 / science.abg2917 处于舆论中心的是一种基于AAV5病毒载体的基因疗法，该疗法此前曾被FDA授予突破性疗法称号以及EMA授予优先药品（PRIME）称号。从此前的临床数据来看，这一疗法疗效颇佳。 2019年uniQure公司曾在第27届国际血栓和止血学会（ISTH）上分享了该疗法的2期临床数据，显示三名患者在治疗36周后FIX活性高达正常值的54％，平均值为正常值的45％。 此次遭到搁置的3期临床实验涉及54名患者。在刚刚过去的第62届美国血液病学会年会上，uniQure公司分享了初期实验数据，显示在给药26周后，患者FIX水平从≤2％提高至37.2％，达到试验主要终点，接受一次性基因治疗6个月后，重症患者似乎已经转变为功能性治愈状态。 根据此次uniQure发表的声明，有理由相信可能是患者体内的潜在疾病使他患上癌症。据介绍，这位肝癌患者25年前曾经感染了乙肝病毒和丙肝病毒，而这些病毒的慢性感染与80%的肝细胞癌有关。尽管如此，但是更重要的问题是要确定AAV基因治疗是否与此次事件有关，或者说促进了患者肝癌的发生。 2020年11月，《Nature Biotechnology》发表了一篇题为A long-term study of AAV gene therapy in dogs with hemophilia A identifies clonal expansions of transduced liver cells 的研究论文。文章提到，在对9只A 型血友病犬进行AAV 基因治疗10年后，竟然发现 AAV 病毒携带的治疗性基因片段有些被整合到了狗的染色体上控制生长的基因附近，显示有诱发癌症的可能性。   https://www.nature.com/articles/s41587-020-0741-7 在此之前，AAV血液病基因疗法已经显示出可能存在肝受损风险。2001年，费城儿童医院开展的AAV2（载有FIX基因）的临床试验中就报道出了肝脏受损情况，其他类型AAV载体的临床试验中也同样也出现了这种情况。 加拿大女王大学的血友病研究者David Lillicrap说：“尽管这名肝癌患者接受治疗的时间较短，将患癌症原因归咎于AAV基因治疗似乎不太合理，但是如果患者体内已经产生了一个缓慢生长的肝脏肿块，那么AAV可能会以一种能够刺激癌细胞更快生长的方式插入到他的肝细胞的DNA中。” 这或许也是uniQure这项研究的不足之处，并没有将既往HCV和HIV感染者排除在外。目前该公司正在与FDA展开合作，对这一事件背后的起因展开调查，预计2021年初将获得调查结果。

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发布时间: 2021-01-08

中国石化成功开发微藻生物质利用成套技术

王阳

谈起微藻，很多人常常联想到湖面上绿油油的浮萍。在诗人的世界里，它无根无依靠，随风东西流。然而，作为世界上最简单也最原始的生物之一，微藻就像一个有待开发的巨大宝藏，经过加工，它能制成保健品、化妆品及高品质饲料等，用途广泛，甚至还能与能源变革产生联系。 　　多年以来，中国石化石油化工科学研究院微藻生物技术研发团队瞄准微藻高值化利用的方向，锁定微藻用于减排氮氧化物（NOX）和二氧化碳的关键科学问题，开展深入研究，开发了从烟气NOX高效固定、优良藻种选育、微藻规模养殖、采收加工到微藻生物质利用的全产业链成套技术，创新提出微藻脱硝组合工艺，实现改善环境污染与生产生物能源的集成，验证了微藻高值化利用技术路线的可行性。“微藻用于NOX和二氧化碳减排的集成与创新”项目获得中国石化2019年度前瞻性基础性研究一等奖。 　　基础研究探索本质 　　能源、环境和食物是人类可持续发展面临的重大问题。化石能源过度使用造成的环境污染日益严重，而现有脱硝技术运行成本高，且存在二次污染等问题。此外，我国还是全球蛋白质原料最大进口国，每年进口大豆近1亿吨，蛋白质原料对外依存度甚至超过石油，开发新的蛋白质来源意义重大。 　　微藻被称为由阳光驱动的“活化工厂”，可在常温常压条件下，将无机碳、氮高效转化为有机碳（主要为糖类与油脂）和有机氮（主要为蛋白质）。中国石化新能源研究所所长、石科院微藻生物技术研发团队带头人荣峻峰介绍到，微藻易养殖、生长速度快，石油化工企业在生产过程中排放的大量烟气、废水和低温余热，如果能利用起来为微藻生长提供充足营养和适宜温度，再通过微藻减排NOX和二氧化碳，处理废气废水，同时生产微藻生物质，进一步转化为微藻蛋白或微藻生物柴油等高价值生物产品，可谓一举两得。 　　然而，现有微藻脱硝技术由于尚不成熟，一直无法满足工业应用对效率和稳定性的要求。荣峻峰认为，技术的不成熟，归根到底在于对其基本原理理解得不透彻。从2010年起，荣峻峰和团队开始介入微藻生物技术领域，剖析微藻脱硝技术背后所隐藏的科学本质。 　　NOX在水中溶解度低，就对氧化体系中NOX的化学吸收过程进行分析，找出提高吸收率的关键点；NOX高效脱除的条件与微藻生长的适宜条件不一致，就将化工过程和生物过程分离，分别进行优化后再结合；微藻对脱硝产物亚硝酸盐耐受性差，就对微藻细胞氮代谢机制进行研究，提高氮转化效率。开展烟气耐受的藻种采集、分离纯化、驯化筛选及性能评价，获得了能高效固定NOX和二氧化碳的优势藻种35株，建立起藻种库。 　　通过层层分解，团队从反应原理、传递过程及细胞生理状态等不同角度，对NOx固定与微藻生长所涉及的各个环节开展基础研究，充分掌握了实验现象背后蕴含的科学规律。 　　技术开发锐意创新 　　有了理论基础的指导，团队开始着手进行技术开发。在建立技术体系之前，首先要确定微藻的养殖模式。 　　通常微藻养殖分为自养和兼养两种模式：自养即微藻以阳光为能源进行生长，具有成本低、技术简单、易于大规模养殖等优势，但自然光的能量密度低，存在着生长速度慢的缺陷；兼养即微藻同时利用光能和外源有机物作为能源生长，这种模式生长速度快、脱氮效率高，但养殖成本高。两种技术路线各有优劣，到底选择哪种方式更合适？团队中存在不同意见。 　　关键时刻，荣峻峰带领团队放下了对养殖方式优劣的争论，将目光投向脱硝技术的需求方——污染源。 　　石油化工技术复杂多样，排放含氮污染物的质与量也有很大差异，单一的技术路线很可能无法满足未来工业化应用对脱硝技术的需求。在对需求进行精准分析后，荣峻峰提出两条路线并行开发的思路：自养适合用于处理低浓度大流量的含氮污染物，兼养则更适合用于处理棘手的高浓度含氮污染物。两种技术路线并行使用，可极大程度提升工艺的适应性，进而提高技术应对复杂市场需求的整体竞争力。 　　明确了方向后，团队成员迅速开展技术开发与实验室小试、中试研究，在新型光生物反应器、光能兼养技术、微氮刺激技术、养殖液循环利用技术、微藻高效采收与亚临界油脂提取等方面实现创新与突破。再将各单项技术进行有机整合，率先建立了完整的微藻脱硝组合工艺，实现了烟气脱硝与微藻养殖既紧密耦合又独立运转。 　　截至目前，团队已申请中国专利60件，获授权34件，申请国外专利10件，在美国、日本和欧洲已获授权，构建起完整的专利网。相关研究成果得到可再生能源全球创新组织的肯定，认为“该成果首次提供了一种利用微藻进行实际大规模烟气减排的可能性与工业化策略”。 　　未来发展生机无限 　　微藻应用于环境保护是一个典型的跨学科研究课题，涉及化学化工、环境科学与生物技术多个领域。石科院微藻生物技术研发团队的成员也有着丰富的学科背景，有研究微藻出身的科班力量，有工程开发经验丰富的技术专家，还有干了大半辈子石油化工，依然保持着对新领域新知识的渴求，选择踏入微藻行业的“新人”。知识、阅历及经验不同的成员们在一起交融碰撞，形成了一支思路开阔、执行力强、分工明确而又团结互助的优秀队伍。 　　在传统石化行业眼中，微藻生物技术还是一个新鲜事物。技术好不好用、能不能满足需求、成本效益情况如何，是用户最为关心的问题。而这些问题，都有待于工业示范试验来验证。 　　目前，微藻脱硝技术正在中国石化催化剂公司长岭分公司、石家庄炼化分公司与湖北化肥分公司开展工业示范试验。为保证试验的顺利进行与数据的完整可靠，团队成员积极投身到一线工作中，长期驻守在试验装置现场，对装置的运行情况进行密切监控，及时解决实验过程中出现的问题。 　　随着我国生态文明建设不断推进，发展绿色经济、低碳经济、循环经济是大势所趋、潮流所向。展望未来，微藻脱硝技术能够利用污染物生产高价值生物产品，化腐朽为神奇，实现环境保护与社会经济发展的和谐统一，具备无限的潜力。这一方案也将为中国石化践行绿色发展、履行低碳责任，成为循环经济的引领者提供一条颠覆性技术路线，成为“绿水青山就是金山银山”这一科学论断的有力注解。

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发布时间: 2021-01-10

未来市政污水处理技术路在何方？以微藻-菌颗粒污泥工艺为例

王阳

传统活性污泥（CAS）工艺作为市政污水处理的核心技术已有100多年的历史。然而，随着未来污水处理技术对能源消耗、碳排放和排放水质要求的不断提高，CAS工艺已略显乏力。例如，CAS工艺通常需要消耗大量电能曝气用于氧化污水中的有机物和氨，同时释放温室气体（GHG）。据报道，2017年市政污水处理所消耗的电能已达到全球电量消耗的0.3-0.5％，而在某些发达国家该占比可达到3-5％，而污水处理过程中所释放的温室气体可占全球全年（2010年）排放量的1.6％。 另一方面，随着环境与生态保护要求的不断提高，市政污水处理的排放标准亦不断提高，如部分省份/地区已出台政策将排放标准提高至地表水IV类标准。显然，传统的CAS工艺难以满足升级后的水质排放要求。因此，近年来越来越多的研究致力于探索污水处理的升级技术。其中，在已有CAS工艺基础上叠加深度处理工艺单元是目前主要的研究方向之一。然而，该升级策略的污水处理工艺虽然可以实现较高的出水水质，但却使整个处理系统的复杂性和处理成本提高，同时增加了能源消耗和温室气体排放。显然，这种由上而下驱动的升级策略只能提供短期解决方案，而不能为未来市政污水处理技术的革新带来曙光。 未来的市政污水处理技术应该具备哪些基本特质？研究作者认为，未来的处理技术应使市政污水处理厂（WWTP）在满足污水处理的基本属性外，应在更广阔的方面扮演重要角色。如图1所示，未来的市政污水处理厂应成为：1）生产高质回用水的水厂，2）具备能源自给甚至供给的电厂，3）实现碳中和甚至碳捕集的绿色工厂，4）能够回收高附加值产品（例如有机物和养分）的资源厂。 1.jpg 微藻-菌颗粒污泥工艺特质的探讨 微藻-菌颗粒污泥工艺是近年来发展迅速的新兴污水处理技术。该工艺由于无需曝气、碳转化以及固液分离好等优势，被认为极具潜力的绿色处理技术。研究作者根据已有研究报道，以及现实应用需求，构建了12h（昼，自然光源）-12h（夜，无需光源）运行模式的零曝气自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺，用于探讨其在去污、能耗、碳排放和资源回收等方面的性能。 去污能力 已有研究表明，微藻-菌颗粒污泥工艺在光照条件下，可实现有机物（COD）、氨氮和磷酸盐100％、99.6％和100％的去除；在黑暗条件下，工艺亦表现出较高的去污能力，COD、氨氮和磷酸盐去除率分别可达95.1％、96.5％和100％，即在没有光照的夜间微藻-菌颗粒污泥工艺也具有较强的去污能力。因此，基于12h（昼）-12h（夜）运行模式的微藻-菌颗粒污泥工艺，可在无需外部曝气和照明的情况下，为市政废水处理提供技术可行的方案。 能量消耗 在微藻-菌颗粒污泥工艺中，由于无需外源曝气以及颗粒污泥良好的沉降性能，其能量消耗显著降低。另一方面，工艺将更多的碳固定于生物质内，可产生较多的污泥用于厌氧消化产甲烷，提高了能量回收。经核算，微藻-菌颗粒污泥工艺污水处理单位能耗为-0.178 kWh/m3（表1），即该工艺可实现能量的净增益。从全球范围内来看，若该工艺应用于市政污水处理，每年有望产生641亿kWh能量净输出。 2.jpg 碳排放 随着全球气候变化形势的日趋严峻，温室气体排放对全球变暖的作用得到世界各国的普遍关注。据估算，若市政污水处理厂采用以活性污泥法为核心工艺，其每年可贡献全球碳排放2.672亿吨CO2e（表1）。若采用微藻-菌颗粒污泥工艺，市政污水处理过程的碳排放将会大大降低，减排效果可达77％左右。另外，随着碳交易在世界各国的普遍实施，碳排放将会成为未来污水处理厂不可忽视的潜在运行成本。 资源回收 相对于传统活性污泥法，在微藻-菌颗粒污泥工艺中，废水中的更多的营养物（N和P等）会通过微生物同化作用得到去除，并在菌藻生物质内积累。显然，这更有利于从生物质中提取生物油脂、生产生物肥料等，强化污泥的资源化利用过程。 小结与展望 市政污水处理技术的升级一直为环境领域研究和探讨的热点，其原本污染物去除的单一功能已不能满足环境和经济可持续发展对污水处理提出的更高要求。未来的市政污水处理技术更倾向于向“水回用-能源回收-碳中和-资源化”的复合型方向发展。经分析，微藻-菌颗粒污泥工艺基本满足未来市政污水处理技术对去污、能耗、碳排放和资源回收的要求，可提供一种潜在的技术方案。未来市政污水处理技术路在何方？研究和探索仍在路上。

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发布时间: 2021-01-10

Cell子刊首个单细胞测序研究揭示其可塑性

王阳

随着时代的发展，高脂饮食及其造成的肥胖已经逐渐成为危害健康的一大杀手。肥胖不仅会引起多种代谢性疾病（如2型糖尿病），也是心血管疾病、癌症等多种疾病的重要易感因素。事实上，我们关注最多的还是脂肪细胞在其中的变化和作用，这也是进一步研究肥胖的基础。 2020年12月29日，《细胞—代谢》杂志在线发表了南丹麦大学研究人员题为“Plasticity of Epididymal Adipose Tissue in Response to Diet-Induced Obesity at Single-Nucleus Resolution”的合作研究。这项研究首次应用单细胞测序技术揭示了在饮食诱导的肥胖中附睾脂肪组织的可塑性。 DOI: 10.1016/j.cmet.2020.12.004 研究人员使用高脂饮食（HFD）诱导小鼠肥胖，随后利用单细胞测序技术解析了其附睾白色脂肪组织（eWAT）包含的主要细胞类型。他们将巨噬细胞亚群分为血管周样巨噬细胞（PVM）、非血管周样巨噬细胞（NPVM）、脂相关巨噬细胞(LAM)和增值性脂相关巨噬细胞(LAM)。结果显示，巨噬细胞是eWAT中的主要免疫细胞，HFD诱导的肥胖导致LAM和p-LAM增加，而PVM和NPVM减少。 肥胖时eWAT中免疫细胞的组成 与此同时，研究人员还发现，肥胖引发间皮和内皮细胞群细胞因子水平增加，提示HFD诱导的肥胖导致了间皮和内皮亚群的炎症状态。并且，在eWAT中存在4种纤维成脂肪祖细胞，而高脂诱导的肥胖导致前脂肪细胞比例显著增加。也就是说，HFD诱导了纤维成脂肪祖细胞向前脂肪细胞表型转化。 肥胖时纤维成脂肪祖细胞向前脂肪细胞表型转化 总而言之，研究人员认为肥胖时脂肪源性脂肪细胞(LGA)亚群的消失是脂肪细胞可塑性的结果，而不是凋亡或坏死造成的。同时，肥胖已被证明可诱导参与WAT巨噬细胞增殖，但其巨噬细胞特异性基因下调而脂质处理基因急剧增加。研究提供的这些数据为将来的脂肪细胞分化和脂肪组织可塑性研究奠定了基础。

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发布时间: 2021-01-08

砷剂疗法的前世今生

王阳

「砒霜」，是一种闪耀在世界历史与文学作品中的物质，一直被认为是毒药的代名词。在古代，它廉价易得，急性中毒后又没法抢救，因而被广泛使用，可以说是跨越了阶层、地域与时空的 「经典毒药」。 从《水浒传》中的武大郎，到拿破仑与他的老对手英国国王乔治三世，再到清末的光绪帝。他们的死亡，与砒霜都脱不了关系。 作为一种毒药，砒霜也是各个国家的传统医学中的重要组成部分。在青霉素出现之前，治疗梅毒的一线药物就是砒霜，疯王乔治三世砒霜中毒的原因，也是因为他患有的精神问题需要砒霜来治疗。 我国文化中自古以来就有「以毒攻毒」的理念，对「砒霜」的药用价值也早有研究。但真正将砒霜入药带入现代医学的，还要从几个中国学者说起。 砒霜抗癌第一战 1971 年，在哈尔滨医科大学附属第一医院工作的张亭栋从同事韩太云得知到一个治疗淋巴结核的老方，老方中含有用含砷、汞和蟾毒等多种剧毒物质。这个方子在民间也被用来治疗癌症。 张亭栋也发现这个药方中的砒霜，也就是三氧化二砷（以下简称 ATO），是该方中唯一有效的治疗性分子，汞和蟾毒反而会导致严重的副作用。   图片来源：知网 1973 年，张亭栋与韩太云在当地的《黑龙江医药》发表了一篇题为《「癌灵注射液」治疗 6 例白血病初步临床观察》的论文[1]。 在该论文中，张亭栋与合作者们首次用现代医学的检验方法评估了由 ATO 与汞组成的「癌灵注射液」（癌灵 1 号）对白血病的治疗作用。这篇一开始没引起太多人注意的论文，却为血癌治疗领域打开了一扇全新的大门。 随后的几年中，张亭栋先后发表了数篇临床研究论文，并将白血病的范围进一步细分到了急性白血病，并报道了使用癌灵 1 号能够实现完全缓解。 图片来源：知网 在 1979 年一篇发表在《黑龙江医药》题为《癌灵一号注射液与辩证论治治疗急性粒细胞型白血病》的研究中[2]，张亭栋与合作者对 55 名急性粒细胞白血病患者的治疗效果及性能进行了分析，发现癌灵 1 号的总缓解率为 70%，甚至有 12 例达到完全缓解。这是非常惊人的疗效。   图片来源：知网 随后的十余年中，张亭栋将砷剂的适应症扩展到了急性非淋巴细胞性白血病，并最终发现，砷剂对急性早幼粒白血病（APL）的疗效极佳，完全缓解率过半。1992 年发表在《中国中西医结合杂志》的题为《癌灵 Ⅰ 号结合中医辨证治疗急性早幼粒细胞白血病 32 例》的论文[3]，就报道了相关临床实验的结果。该结论后续也得到其他研究的证实。 但遗憾的是，由于所有论文都是发表在中文期刊上，张亭栋的研究并未引起全球医学界的关注。与之形成鲜明对比的，是几乎在同一时间被国际医学界发现的全反型维甲酸（ATRA）。ATRA 在上海第二医学院王振义团队的研究中，被发现拥有治疗 APL 的优秀疗效，因为相关论文发表在英文期刊上，也得到国际学术界的广泛好评。 直到 1996 年，ATO 走出国门的事情才出现转机。 走出国门 1994 年前后，刚刚回国不久的陈竺教授夫妇注意到了张亭栋的研究，并发现其蕴含的巨大潜力。他们认为这样的优秀的药物值得让全世界知道。两人遂开始合作，对 ATO 治疗 APL 进行了基础机制研究。 图片来源：Blood 1996 年，二人合作在国际血液病顶级期刊 Blood 发表了题为 In vitro studies on cellular and molecular mechanisms of arsenic trioxide (As2O3) in the treatment of acute promyelocytic leukemia: As2O3 induces NB4 cell apoptosis with downregulation of Bcl-2 expression and modulation of PML-RAR alpha/PML proteins 的研究[4]，报道了砷剂治疗 APL 的分子机制。 该研究不仅开启了人类对 ATO 抗癌机制的探索，还终于让这一国产发现走向了世界。 图片来源：Science 该研究的发表，迅速在国际血液病领域引发了巨大的轰动。Blood 论文发表的一天后，Science 上就刊登一篇题为 Ancient Remedy Performs New Tricks [5] 的专题报道，将这份中国传统医学的「馈赠」推到 APL 治疗的风口浪尖。   图片来源：Blood 1 年后，陈竺夫妇与张亭栋携手王振义，在 Blood 上同时发表了两篇题为 Use of Arsenic Trioxide (As2O3 ) in the Treatment of Acute Promyelocytic Leukemia (APL): I. As2O3 Exerts Dose-Dependent Dual Effects on APL Cells[6] 与 Use of Arsenic Trioxide (As2O3 ) in the Treatment of Acute Promyelocytic Leukemia (APL): II. Clinical Efficacy and Pharmacokinetics in Relapsed Patients 的系列临床研究[7]。报道了 ATO 在 APL 与 APL 复发患者中的神奇疗效。 这些论文在医学界引起了巨大的轰动，直接将砷剂带向了 APL 疗法研究的最前线。其分量之重，影响之大，从第二篇论文作者列表的三个中国工程院院士的名字中可见一斑。 砷剂，不只是血癌 随后的二十多年中，无论是国内 ATO 研究的「先行者」，还是世界上其他国家的「跟随者」，都开始对 ATO 的抗血癌机制展开了研究。也开始注意到砷剂的应用，远不止治疗 APL 这么简单。 在张亭栋和他的合作者最早期的研究中，就发现「癌灵一号」不仅对血癌有奇效，还能够治疗诸如淋巴瘤和食管癌的其他癌症。 进入二十一世纪后，各国的学者也发现了一样的现象。ATO 在部分肝癌和多发性骨髓瘤中表现出一定的疗效。 让医学者苦恼的是，ATO 在其他癌症的疗效飘忽不定，并不像它在 APL 中那样能够化腐朽为神奇。 如何让 ATO 更有效的帮助其他癌症的患者，成为了砷剂研究者们下一个需要解决的问题。而精准医疗概念的兴起，为砷剂研究者们指明了新的方向。 图片来源：Cancer Cell 2020 年 12 月 24 号，来自上海交通大学瑞金医学的卢敏团队在 Cell 子刊 Cancer Cell 上发表了题为 Arsenic Trioxide Rescues Structural p53 Mutations through a Cryptic Allosteric Site 的研究[8]，报道了 ATO 是如何通过砷原子填补明星抑癌基因 p53 的空腔，以维持后者的稳定，并恢复 p53 抑癌功能的全新机制。这意味着砷剂在治疗结构突变型 p53 癌症中具有巨大的潜力。 全世界一半的癌症患者具有 p53 突变，其中带有结构性突变的人群也不在少数。利用精准医疗，现代医学能够快速的识别出适合使用砷剂治疗的人，并造福广大的癌症患者。该发现也使得砷剂的未来，比 APL 更加广阔。 图片来源：未来科学大奖 2016 年与 2018 年，砷剂先后获得了欧盟与 FDA 的批准，成为 APL 治疗的一线疗法。在 2020 年，在 ATO 与 APL 研究中作出突出贡献张亭栋与王振义共同获得了未来科学大奖，表达了中国科学界对砷剂的肯定。 我们也由衷的希望，这个来源于中国传统医学的药物，能够拯救更多患者的生命。

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发布时间: 2021-01-08

我国首个原创型基因治疗载体问世

王阳

1月5日，上海交通大学系统生物医学研究院的蔡宇伽团队在《自然-生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）杂志上发表了一篇题为：Lentiviral delivery of co-packaged Cas9 mRNA and a Vegfa-targeting guide RNA prevents wet age-related macular degeneration in mice的研究论文，发明了一种介于病毒载体与非病毒载体之间的类病毒体（virus-like particle, VLP）递送技术。VLP可以递送CRISPR/Cas9 mRNA, 实现安全和高效的体内基因编辑。 值得一提的是，该技术是我国首个完全自主开发的原创型基因治疗载体，体现了我国在基因治疗领域的科技进步。 自最早的基因编辑工具问世至今，基因编辑技术已经有近30年的历史了。特别是2012年以来，随着CRISPR的横空出世，基因编辑技术日渐趋于成熟。然而遗憾的是，相对于基因编辑工具本身的快速进化，其递送技术的发展极其缓慢和困难。而递送之于基因编辑治疗的重要性如同火箭之于登月。由于递送技术的滞后发展，体内基因编辑治疗的临床应用困难重重，整个领域都在期待递送技术的突破。 诺奖得主Jennifer Doudna在2020年初给Nature杂志撰写的综述中，系统论述了基因编辑治疗的前景和挑战。在展望CRISPR美好应用前景的同时，这位今年的诺奖得主发出了‘递送可能仍然是基因编辑体细胞治疗的最大瓶颈’的感叹（Delivery remains perhaps the biggest bottleneck to somatic-cell genome editing）。 近几年来，基因编辑工具本身的发展令人眼花缭乱，各种Cas9变体、碱基编辑工具及其变体、Prime Editor等，层出不穷。但是，这些工具的临床应用必须回归到递送，而迄今为止可选的递送工具还是有几十年历史的‘老三件’：AAV、慢病毒以及纳米材料。尽管这些递送载体广泛用于基础研究，但它们却不适合直接用于临床。基因编辑的临床应用有着安全性和有效性的双重标准。一方面，病毒载体由于长时间的表达基因编辑酶，会带来安全性上的不确定性；另一方面，纳米材料则面临效率上的挑战。 2020年上半年，张峰作为创始人的著名基因编辑治疗科技型企业Editas实施了首例人体基因编辑治疗的临床研究(Nature Biotechnology volume 38, page382(2020))。但由于该研究使用AAV作为载体，CRISPR将长期与患者共存，具有一定的风险。理想的基因编辑递送工具需要兼具瞬时和高效的特点，以确保治疗的安全性和有效性。 蔡宇伽教授说：“实现基因编辑酶在体内的瞬时递送是我们基因治疗科学家的终极梦想。有了这样的载体，我们可以最大限度地提高基因编辑治疗的安全性，也意味着基因编辑体内治疗离临床应用无限接近。然而，实现这个梦想并不容易，也几乎没有人相信可以成功。我从博士生时代开始尝试， 到现在成为博士生的导师，经过10年的不断地探索与积累，直到最近才取得了核心突破。” 慢病毒载体可以高效感染几乎所有的细胞，而非病毒成分mRNA具有瞬时性的特点。蔡宇伽团队利用mRNA茎环结构与噬菌体衣壳蛋白特异识别的原理，通过病毒工程技术，将两者的优点完美的结合起来，创造了新型递送技术VLP-mRNA。通过VLP-mRNA递送Cas9 mRNA, Cas9的存在时间只有72小时。研究发现，与长时间表达Cas9的病毒系统相比，VLP mRNA可以显著降低、甚至完全避免脱靶效应。另外，VLP mRNA可以递送整个CRISPR元件（Cas9与gRNA），克服了AAV载体运载能力小的限制，甚至可以递送更大的碱基编辑工具。 蔡宇伽团队研究人员还将VLP-mRNA技术用于眼科疾病的治疗。老年性黄斑变性（AMD）是一种退行性眼底疾病。患者表现为中心视力下降、视物变形、周边部或中心视野出现暗点,对老年人的生活质量造成极大的影响。据统计,西方发达国家中 70 岁 以上的老年人罹患 AMD 者超过 40%。随着我国老年人口日渐增多,黄斑变性的发病率也越来越高。另外，糖尿病患者也可能罹糖尿病相关黄斑变性，总体发病率在10%左右。目前，黄斑变性的治疗方法是VEGF单克隆抗体。然而，抗体需要反复给药；另外，抗体外溢可导致严重的并发症。   研究团队利用激光诱导的小鼠黄斑变性模型，通过视网膜下腔注射的方式，发现CRISPR特异性的分布在视网膜色素上皮细胞（RPE），而RPE 细胞是眼内VEGF的主要来源。VLP递送CRISPR实现了高达44%的vegfa基因敲除，降低了63%的新生血管面积。第二代测序表明VLP-mRNA未诱导出脱靶效应。 对于此前报道的AAV递送CRISPR引起的大片段缺失，研究团队通过第三代测序，仅能发现勉强高于背景的信号。值得一提的是，VLP mRNA无论在体外还是在眼内，均未引起免疫反应。这些实验结果有力支持了CRISPR在黄斑变性基因治疗上的临床应用潜力。 总的来说，VLP-mRNA是一种通用型的、瞬时性的CRISPR递送工具，兼具高效和安全的优点。该技术无疑将帮助CRISPR体内基因编辑治疗时代的真正来临，为无药可治或有药难治的遗传性、获得性以及感染性疾病的患者带来新的希望。

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发布时间: 2021-01-08

科学家通过电化学氧化方法来净化制造生物燃料时产生的废水

王阳

据外媒报道，科学家们正在用新的方法创造性地生产燃料和电力，但它们也会带来自己的问题。例如，用藻类制造生物燃料就显示出了希望，但它确实会产生大量的有毒废水。现在，澳大利亚的研究人员已经找到了一种净化这些废水的方法，并采用了一种简单且可扩展的电气工艺。 这项研究始于另一个项目的分支，悉尼大学的一个科学家团队正在运行一个试验工厂，该工厂正在养殖微藻，目的是生产生物燃料。通过一种名为水热液化的过程，藻类生物质被转化为一种类似于原油的高能量物质，可以作为一种 “绿色 ”燃料使用。 问题是，这个过程会产生大量被严重污染的废水，其中含有大量的碳、氮和磷。 为了确保这种替代燃料来源尽可能的环保，研究人员开始寻找一种方法来清理这些水。 该团队使用了一种名为电化学氧化的技术，即在水中放置两个电极，其中一个电极由涂有硼的金刚石制成。通过发送电流，在电极表面引发氧化反应，从而将许多污染物转化为危害较小的产物。 “我们采用了一种令人难以置信的强大工艺，甚至可以消除最持久的不可生物降解的污染物，如药品和农药，以及在许多工业废水中可以发现的各种类别的有机化合物，”该研究的主要作者Julia Ciarlini Jungers Soares说。“这个过程相对简单，不需要添加化学品或苛刻的操作条件，也不会产生额外的废弃物。” 该团队报告说，电化学氧化过程去除了水中高达99%的碳，并清除了96%的难看颜色。氮气从有机物转化为氨和硝酸盐等无机物形式。这些在水中仍然存在并不理想，但比其他形式的氮气危害性小。这意味着这种新净化的水可能不符合饮用规范，但它仍然可以找到类似于循环水的用途，用于浇灌花园、清洗车辆、农业、消防和其他工业用途。 该团队表示，这种方法相对简单，可以扩大规模，处理纸浆和造纸加工、酿酒厂、制药生产等行业的废水。 2.jpg 该研究发表在《藻类研究》杂志上。

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发布时间: 2021-01-10

科学家为防疫出力出招 “微藻营养与功能”线上研讨会召开

王阳

2020开年，一场突如其来的新型冠状病毒疫情席卷全球，为人类生命健康及全球经济发展造成了严重影响，对此社会各界纷纷展开行动，从各自的专业领域出发为战胜疫情寻找助力。5月9日，由青岛微藻产业学会与生物学杂志社共同主办了“微藻营养与功能”线上研讨会，是我国微藻产学研各界为应对新冠疫情举办的首次权威学术会议，为微藻营养医学在此期间的进一步落地应用提供了理论基础。作为中国微藻产业的奠基者和领头羊企业，云南绿A生物工程有限公司总经理胡志祥出席会议，并与各位专家分享了螺旋藻相关产品增强免疫力与抗病毒功能的科学实验报告。   本次会议由中国藻业协会微藻分会会长、中国科学院烟台海岸带研究所著名教授秦松主持，汇聚众多微藻领域顶尖专家，包括宁波大学严小军、深圳大学胡章立、华东理工大学李元广、荷兰瓦格宁根大学高风正等知名高校教授和学者，中国科学院合肥物质科学研究院黄青、中国科学院海洋研究所刘建国、水科院黄海水产研究所孙伟红、中国科学院青岛生物能源与过程研究所刘天中、中盐研究院张俊杰等科研院所资深研究员参与本次会议。 当前，我国已经成功遏制了疫情的进一步扩散，然而病毒的威胁还远远没有解决，各大科研机构正在加紧疫苗的研发，在此之前除了依赖外部防护，自身的免疫力则是更有力的防线。免疫力对病毒的感染几率及感染后的病情发展和治愈率都有着决定性的影响，因此近期许多专家都建议公众加强体育锻炼，并更多的摄入高蛋白高营养食物，全面强化自身的免疫能力。而许多种微藻所含有的活性成分，经过国内外科学界多年研究证实在补充人体营养素、提升免疫机能等多个方面具有积极作用，在相关药物的开发领域也具有极大的应用潜力。 本次会议中，在多种形成产业的微藻中，应用最为成熟的螺旋藻和富含天然虾青素的红球藻成为专家关注的重点。中国科学院合肥物质科学研究院黄青和中国科学院海洋研究所刘建国分别就红球藻虾青素的炎症和免疫调节作用分享了最新的研究进展，其中黄青研究员重点针对抗炎症作用进行分析，指出红球藻虾青素在治疗新冠肺炎上的潜在应用；而作为我国螺旋藻产业的原研单位，绿A公司总经理胡志祥向大家介绍了螺旋藻所富含的全面营养素，并通过多年积累的动物实验和医院临床应用统计报告，证实了螺旋藻在免疫调节和抗病毒方面的积极作用。此外，深圳大学胡章立教授和水科院黄海水产研究所孙伟红研究员分别介绍了红球藻硒蛋白的生物功能和红球藻虾青素的检测技术方面的研究。   除了应用相对广泛的螺旋藻和红球藻之外，微藻家族中还有很多具有独特生物价值的种类，与会专家同样进行了深入交流。宁波大学严小军教授介绍了多种微藻独特活性物质的精准功能，并号召学界同仁在分子机制层面进行更加深入的研究；华东理工大学李元广教授和中盐研究院张俊杰教授分别介绍了裸藻和杜氏盐藻的功能及应用；中国科学院青岛生物能源与过程研究所刘天中研究员介绍了一种微藻中的新型生物质OMEGA-7脂肪酸的功能作用研究进展，远在荷兰瓦格宁根大学的高风正博士全面介绍了中国和欧洲微藻产业发展的概况和区别之处，并以国际视角对中国微藻产业发展做出了展望。 本次会议的主持人，中国藻业协会微藻分会会长、中国科学院烟台海岸带研究所秦松表示，在本次会议中，诸位专家就微藻生物研究领域如何助力应对新冠病毒提出了针对性的建议，同时也就微藻产业未来的发展方向提出了目光高远的指导性意见。而包括绿A在内的企业不仅在本次疫情中为积极践行社会公益，也分别从产品和产业层面贡献了宝贵的经验和看法。相信在学界专家和企业领袖的共同推动之下，未来微藻产业产学研将进一步加强联系，融合发展，增强中国微藻尖端研究水平，为公众带来更加高效、精准的功能产品，普及微藻认知，加速产业发展。

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发布时间: 2021-01-10